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原作：Jennifer Chu
翻译：张雨荷
编排：喻思敏
后台：李子琦
https://news.mit.edu/2024/mit-astronomers-find-smallest-asteroids-ever-detected-main-belt-1209
“得益于现代技术的进步，我们正在探索一个全新的、未曾探索过的领域”
概念图：詹姆斯·韦布太空望远镜在红外波段发现了一群小型主带小行星
图源：MIT/Ella Maru and Julien de Wit
据估计，灭绝恐龙的小行星直径约为 10 千米，和纽约市的布鲁克林区差不多宽。如此巨大的小行星撞击地球的事件很少发生，约每 1 亿至 5 亿年才会出现一次。
相比之下，像公交车大小的尺寸小得多的小行星撞击地球的频率会更高，大约每隔几年就会出现一次。这些直径只有几十米的“十米”量级小行星更有可能逃离主小行星带，并接近地球。如果它们撞击地球，这些体型虽小但威力巨大的太空岩石将会向整个地区发出冲击波，例如 1908 年发生在西伯利亚通古斯卡的撞击，以及 2013 年在乌拉尔车里雅宾斯克上空解体的小行星。能够观测十米左右宽度的主带小行星将帮助科学家们进一步了解陨石的起源。
现在，由麻省理工学院物理学家领导的国际团队找到了一种方法来发现主小行星带中最小的十米小行星。主小行星带位于火星和木星之间，数百万颗小行星在此绕行。在此之前，科学家们能够辨别出的最小的小行星直径约为一千米。借助该团队的新方法，科学家现在可以发现主小行星带中直径最小为 10 米的小行星。
研究人员在本周一发表在《自然》（Nature）杂志上的一篇论文中报告说，他们利用这种方法在主小行星带中探测到了100多颗新的十米小行星。这些小行星大小不一，从一辆公交车到几个体育场大小的都有，是迄今为止在主小行星带中探测到的最小的小行星。
研究人员设想，这种方法可用于识别和跟踪可能接近地球的小行星。
“当天体接近地球时，我们目前已经能够探测到小至 10 米的近地天体，”这项研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究科学家 Artem Burdanov 说道。“我们现在能够在这些小行星离地球更远的时候发现它们，这样我们就可以进行更精确的轨道跟踪，这对行星防御至关重要。”
这项研究的合著者包括麻省理工学院行星科学教授 Julien de Wit 和 Richard Binzel，以及来自其他多个机构的合作者，包括比利时列日大学、捷克共和国查理大学、欧洲航天局，以及德国马克斯普朗克地外物理研究所和奥尔登堡大学等机构。
图像移位
De Wit 和他的团队主要专注于寻找和研究系外行星，发现太阳系外可能适宜居住的星球。这些研究人员是 2016 年发现 TRAPPIST-1 周围行星系统的团队的一部分，TRAPPIST-1 是一颗距离地球约 40 光年的恒星。利用智利的凌星行星及原行星小望远镜 (TRAPPIST)，他们证实了该恒星拥有类似地球大小的岩质行星，其中几颗位于宜居带。
此后，科学家们用各种波长的望远镜对 TRAPPIST-1 系统进行观测，以进一步确定行星的特征并寻找生命迹象。通过这些搜索，天文学家必须对望远镜图像进行处理并从中剔除 “噪音”数据，如地球和恒星之间的任何气体、尘埃和行星物体，以便更清晰地解读TRAPPIST-1行星。通常情况下，他们摒弃的噪音数据也包括经过的小行星。
De Wit说："对于大多数天文学家来说，小行星就像是天空中的害虫，它们只会穿过你的视野，影响你的数据”。
De Wit和Burdanov想知道，用于搜索系外行星的数据是否可以重复利用以探寻太阳系中的小行星。为此，他们研究了 “移位和堆叠 ”技术，这是 20 世纪 90 年代首次开发的一种图像处理技术。该方法包括移动同一视野的多张图像并堆叠图像，以观察原本暗淡的天体是否能在噪声中脱颖而出。
应用这种方法在最初聚焦于遥远恒星的图像中搜索未知小行星需要大量的计算资源，因为它需要测试大量小行星可能出现的位置场景。然后，研究人员必须针对每种情况移动数千张图像，以确定小行星是否真的在预测的位置上。
几年前，Burdanov、de Wit和麻省理工学院研究生Samantha Hasler发现，他们可以利用最先进的图形处理单元（GPU）来做到这一点，它可以快速地处理大量的图像数据。
研究人员最初是在 SPECULOOS项目（Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars，旨在寻找太阳系附近潜在的宜居系外行星）的数据上尝试他们的方法。SPECULOOS 是一套地面望远镜系统，可以随时间拍摄多张恒星图像。之后，他们又使用南极洲的一台望远镜进行了第二次测试，两次研究结果表明，这种新的方法确实可以在主带中发现大量新小行星。
未曾探索过的太空
在这项新研究中，研究人员利用世界上最强大的天文台——NASA的詹姆斯·韦布太空望远镜 (JWST) 的数据，寻找了更多甚至更小的小行星。詹姆斯·韦布太空望远镜对红外线（而非可见光）特别敏感。事实上，在主小行星带中运行的小行星在红外波长下比在可见波长下亮得多，因此利用詹姆斯·韦布太空望远镜的红外功能更容易探测到。
该团队将他们的方法应用于詹姆斯·韦布太空望远镜拍摄的 TRAPPIST-1 图像，这些数据包括10000 多张该恒星的图像，最初获取这些图像是为了寻找该系统内行星周围大气层的迹象。在处理完这些图像后，研究人员发现了主带中的八颗已知小行星。然后，他们进一步观察，在主带周围发现了138颗新的小行星，直径都在几十米以内——这是迄今为止探测到的最小的主带小行星。他们怀疑有几颗小行星即将成为近地天体，而有一颗很可能是特洛伊小行星——和木星共用轨道的小行星。
“我们原以为只会发现几颗新天体，但我们发现的比预期多得多，尤其是小天体，” de Wit说。“这表明我们正在发现一个新的天体群，其中很多的小天体是通过级联碰撞形成的，这种级联过程非常高效，可以使大约100米以下的小行星碎裂。”
“这些十米主带小行星的统计数据对于建模至关重要，”捷克布拉格查尔斯大学的合著者Miroslav Broz补充道，他是太阳系各种小行星群的专家。“事实上，这是更大的、数千米大小的小行星碰撞时喷射出的碎片，这些小行星是可以观测到的，并且常表现出围绕太阳的相似轨道，因此我们将它们归类为小行星‘家族’。”
“得益于现代技术的进步，我们正在探索一个全新的、未曾探索过的领域，”Burdanov 说道。“这是一个很好的例子，说明当我们以不同的方式看待数据时，我们可以做些什么。有时会有意想不到的巨大回报，而这正是其中之一。”
这项工作得到了 Heising-Simons 基金会、捷克科学基金会和英伟达学术硬件资助计划的支持。
责任编辑：陈玮菁
牧夫新媒体编辑部
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